淺層月壤鏟挖動力學建模及應用研究.pdf

1、隨著我國深空探測任務，特別是嫦娥三期工程的順利開展，淺層月壤采樣成為了當前航天領域的重要研究內容。由于月面1/6重力環(huán)境及月壤顆粒間范德華力對月壤力學特性的影響，使得月面環(huán)境下的淺層月壤鏟挖動力學特性不但難以通過地面試驗進行模擬，也無法直接利用傳統(tǒng)的鏟挖阻力經驗公式進行計算。因此，為了深入了解采樣器在月壤中的運動阻力及兩者間的耦合動力學特性，降低最大鏟挖阻力和總能耗，提高柔性采樣機械臂的鏟挖控制精度，本文在結合已有國內外研究成果的基礎上

2、，推導了淺層月壤鏟挖阻力公式，并采用離散元法對鏟挖阻力參數和月壤流變參數進行回歸分析，建立月面環(huán)境下的鏟挖工程模型，用以實現(xiàn)對不同采樣方式下的淺層月壤鏟挖動力學分析和應用工作。
　　為了解決1/6重力環(huán)境下月壤力學特性的分析和計算問題，本文在離散元仿真框架下，通過建立帶范德華力的粘-彈顆粒接觸關系的離散元模型，利用多輸出最小二乘支持向量機（SVM）及自適應遺傳算法，以當前已公開的真實月壤地面三軸試驗數據為參數標定依據，實現(xiàn)對能夠表

3、征月壤宏觀力學性質的離散元等效細觀參數進行標定，最終建立了淺層月壤離散元模型。
　　切削是鏟挖過程中的一個重要動作。在淺層月壤鏟挖過程中，采樣器側板對月壤進行切削，實現(xiàn)樣本月壤與原位月壤的分離。為解決淺層月壤的切削阻力預測問題，本文利用靜止土壓力理論及 Kostritsyn切削阻力理論，分別對切削過程中月壤預應力和擠壓變形恢復力導致的側板壓力進行分析，并依據上述分析成果建立平行、直立兩種切削模式下的淺層月壤純切削阻力的計算模型。針

4、對不同月壤基本參數，即不同平均粒徑、孔隙率和級配下的淺層月壤具有不同靜止土壓力系數、變形比阻和外摩擦系數的特點，本文采用離散元法開展了側限壓縮試驗和機-土摩擦試驗，建立了月壤基本參數與上述宏觀力學參數間的回歸模型。在此基礎上，通過對比月壤切削模型預測結果和月壤離散元仿真結果，驗證了切削計算模型的正確性和精度。
　　推移是鏟挖過程中的另一個重要動作。在淺層月壤推移過程中，采樣器鏟平面帶動月壤向鏟挖方向整體運動，實現(xiàn)樣本與采樣器的隨動

5、。為解決淺層月壤在不同運動模式下的推移阻力預測問題，本文結合 Rankine被動土壓力理論和水平層分析法，建立了針對鏟平面整體平移、頂點轉動兩種模式下的鏟面阻力分布方程組，并針對該方程組在DFP求解算法中的不具有全局初值收斂性的特點，提出了DFP+遺傳算法的求解方法，實現(xiàn)對鏟面阻力分布及月壤滑移線形狀的求解，最終建立月壤推移阻力的計算模型。針對不同基本參數的淺層月壤具有不同抗剪強度的特點，本文采用離散元法開展了靜三軸試驗離散元仿真，建立

6、了月壤基本參數與月壤內聚力、內摩擦角間的回歸模型。在此基礎上，通過對比月壤推移模型和月壤離散元仿真得出的阻力分布結果，驗證了推移計算模型的正確性和精度。
　　在實際鏟挖過程中，鏟斗形狀、鏟前堆積月壤量、月壤基本參數均會影響對月壤的鏟挖阻力。本文對鏟挖全過程中鏟斗、月壤狀態(tài)進行分析，并基于 Hemami鏟挖阻力理論，綜合考慮鏟挖過程中的切削阻力、推移阻力和月壤滑移體慣性力，建立鏟挖全過程中的月壤阻力預測工程模型。在此基礎上，以鳳凰號

7、上采樣器基本結構參數為例，設計獨立采樣器算例對月壤采樣過程進行分析，基于最小阻力和最小功耗分析鏟抬模式下的最佳切入角，并分別計算旋刨模式和鏟抬模式下的全過程采樣阻力變化，分析兩模式在不同月壤條件下的適用性。
　　除鏟挖阻力外，鏟挖過程中的變鏟挖阻力還會導致鏟斗與斗內月壤間的耦合振動問題。本文引入土壤流變理論，利用離散元動三軸試驗得出的并聯(lián)Iwan模型對時變鏟挖力造成的月壤激勵響應進行研究，實現(xiàn)對月壤機-土耦合作用的分析，最終建立考

8、慮機-土耦合的淺層月壤鏟挖動力學模型。在此基礎上，分析機械臂鏟挖采樣過程。由于鏟挖控制過程中機械臂末端鏟斗對月壤存在時變鏟挖力，因此鏟斗與月壤間存在一定的耦合作用。應用考慮機-土耦合的淺層月壤鏟挖動力學模型分析柔性采樣機械臂在鏟挖月壤時的動力學及控制問題?；谀B(tài)綜合法建立包括鏟斗在內的4自由度機械臂，設計合理的月壤鏟挖策略和軌跡，并采用計算力矩控制器實現(xiàn)柔性采樣機械臂的淺層月壤鏟挖控制。對于待鏟挖月壤的未知參數會影響控制性能的問題，設